本发明专利技术涉及一种基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，该传感器由标准硅工艺设计制造而成，利用门控横向双极结晶体管作为本发明专利技术的核心器件，溶液变色性色素作为本传感器的气体反应薄膜。同时应用该器件工作在金属氧化物半导体场效应晶体管-双极结晶体管混合工作模式下，具有较强的传导效率，进一步的提高传感灵敏度。本发明专利技术在半导体器件所具有的体积小、重量轻、易于量产、低成本、低功耗、易于集成的前提下，实现了常温下的半导体挥发性有机化合物的测量。此器件在理论上提高了传感器件的寿命，并减少了普通半导体气体传感器高温操作所需要的能量消耗，此器件可应用与小型环境检测器件等领域。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，该传感器由标准硅工艺设计制造而成，利用门控横向双极结晶体管作为本专利技术的核心器件，溶液变色性色素作为本传感器的气体反应薄膜。同时应用该器件工作在金属氧化物半导体场效应晶体管-双极结晶体管混合工作模式下，具有较强的传导效率，进一步的提高传感灵敏度。本专利技术在半导体器件所具有的体积小、重量轻、易于量产、低成本、低功耗、易于集成的前提下，实现了常温下的半导体挥发性有机化合物的测量。此器件在理论上提高了传感器件的寿命，并减少了普通半导体气体传感器高温操作所需要的能量消耗，此器件可应用与小型环境检测器件等领域。【专利说明】一种基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器
本专利技术涉及半导体传感器的
，具体涉及一种基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，可以通过环境检测。
技术介绍
挥发性有机化合物是一种常见的有害物质，可以引起癌变、神经性疾病以及直接致命等。国际上有很多种定义，主要是指在常温下具有挥发特性的有机化合物，比如甲醛、甲醇、丙酮、苯等，多放出于工厂、涂料、垃圾堆等。随着社会的进步，对于挥发性有机化合物的测量与监控技术也日趋迫切。目前挥发性有机化合物的测量主要有两种:基于挥发性有机化合物与物质反应所带来色变的光学测量与反应后带来反应薄膜电阻变化的微电子测量。其中光学测量主要是利用挥发性有机化合物带有极性这一特点，通过溶液变色性色素(比如Reichardt’ s色素)对其极性有对应的颜色变化从而测量得出结果。其优点是精度高，常温可测，但是需要光源、探测器等附加设备，使其具有大体积、低量产化、高成本、高耗能等缺点。另一方面，微电子测量则是主要是基于MEMS技术，通过挥发性有机化合物与反应薄膜的化学反应而进行测量。该方法的优点是体积小、高量产化、低成本，但是有高温工作而带来的测量误差以及寿命问题。4-ANMP色素是一种溶液变色性色素,与其他同类色素一样，具有根据周围环境的极性不同而变色的特点。此特点是由于溶液变色性色素具有易发生分子内电子转移所导致的。本专利技术中将该色素与标准硅工艺所制成的门控横向双极结晶体管相结合，利用其电子转移特性将其制作成挥发性有机化合物传感薄膜。因此，制成的传感薄膜具有常温下可工作的特点。另一方面，传统的半导体传感器是基于金属氧化物半导体场效应晶体管结构的，此结构具有常温下不能开启的特点。也有根据需要在井区8增加高掺杂使器件开启，但是此做法后器件的输出值不会随着门(栅极)电极6的电势变化而变化，因而不能应用于传感器。本专利技术中使用的门控横向双极结晶体管同时具有金属氧化物半导体场效应晶体管与双极结晶体管的特性。根据需求可以利用输入电压与电流的控制使该器件工作于金属氧化物半导体场效应晶体管模式、双极结晶体管模式以及金属氧化物半导体场效应晶体管-双极结晶体管混合模式。当该器件工作在金属氧化物半导体场效应晶体管-双极结晶体管混合模式下具有常温下可开启的特点，并且根据门(栅极)电极5的电势变化输出电流有所改变，从而使本专利技术成为可能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是:提供一种基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，结合了光学传感器与微电子传感器的优点并能在常温下工作。本专利技术解决上述问题采用的技术方案为:一种基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，由挥发性有机化合物反应层、连接层与门控横向双极结晶体管组成。门控横向双极结晶体管由氮化硅层、氧化硅层、顶层金属层、门(gate，栅极)电极、内部氧化硅层、井区、衬底层、衬底电极、井区电极、漏极电极、源极电极组成，气体反应层附在连接层上面并与外界相接触，连接层附在氮化硅层上面，衬底电极、井区电极、漏极电极和源极电极分别在衬底层与井区的表面，衬底电极在井区外面，源极电极为井区的中心位置，漏极电极在源极电极的两侧且对称，“P+”电极表示正电荷参杂，“N+”表示负电荷参杂，各电极大小相等，距离约为0.5微米(0.35微米半导体工艺)。进一步的，所述的基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，所述的挥发性有机化合物反应层是由4-amino-N-methylphthalimide (4-ANMP)色素制成。其制作过程是通过单层自组装的方式使其分子定向的排列在器件的表面，从而提高其传感能力。进一步的，所述的基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，所述的门控横向双极结晶体管由标准半导体工艺制作，并且工作在金属氧化物半导体场效应晶体管-双极结晶体管混合模式下，以提高其传感灵敏度。进一步的，所述的基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，所述的传感器件可以工作在常温状态下。本专利技术技术方案的原理是:一种基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，根据图1所示，气体反应层I是由4-ANMP色素通过单层自组装方法制成并与空气接触。门控横向双极结晶体管在气体反应层I下部。4-ANMP色素的结构如图2所示。当挥发性有机化合物气体接触到该色素时，色素分子内的电子发生转移，相应的引起门(栅极)电极5处的电势增加。另一方面，门控横向双极结晶体管通过输入电流与电压的控制，使其工作在金属氧化物半导体场效应晶体管-双极结晶体管混合模式。其工作模式与输入电压电流的关系如表1所不。Vsub表不衬底电极10所负载的电压值,Vd表不漏极电极12所负载的电压值，Vs表示源极电极13所负载的电压值，Ve表示门(gate，栅极)电极6所负载的电压值，Ib表示井区电极11所负载的电流值，Vth表示该器件中金属氧化物半导体场效应晶体管部分的阀值电压。此时，由于门(栅极)电极6处电势的变化，引起井区8内漏极电极12与源极电极13之间的导电沟道发生变化，进而引起源极电极12处输出电流的变化。根据电流的变化与外界挥发性有机化合物气体浓度的关系得出对应关系，进而可用于挥发性有机化合物气体的测量。表1为本专利技术器件工作模式说明表【权利要求】1.一种基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，其特征在于:由挥发性有机化合物反应层(I)、连接层(2)与门控横向双极结晶体管组成，门控横向双极结晶体管由氮化硅层(3)、氧化硅层(4)、顶层金属层(5)、门(gate，栅极)电极(6)、内部氧化硅层(7)、井区(8)、衬底层(9)、衬底电极(10)、井区电极(11)、漏极电极(12)和源极电极(13)组成，气体反应层(I)附在连接层(2)上面并与外界相接触，连接层(2)附在氮化硅层(3)上面，井区(8)在衬底层(9)的表面，衬底电极(10)、井区电极(11)、漏极电极(12)和源极电极(13)分别在衬底层(9)与井区(8)的表面，衬底电极(10)在井区(8)外面，源极电极(13)为井区(8)的中心位置，漏极电极(12)在源极电极(13)的两侧且对称，“P+”电极表示正电荷参杂，“N+”表示负电荷参杂，各电极大小相等，距离约为0.5微米，采用0.35微米半导体工艺。2.根据权利要求1所述的基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，其特征在于:所述的挥发性有机化合物反应层(I)是由4-amino-N-methylphthalimide(4-ANMP)色素制成，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于溶液变色性色素的半导体挥发性有机化合物传感器，其特征在于：由挥发性有机化合物反应层（1）、连接层（2）与门控横向双极结晶体管组成，门控横向双极结晶体管由氮化硅层（3）、氧化硅层（4）、顶层金属层（5）、门(gate，栅极)电极（6）、内部氧化硅层（7）、井区（8）、衬底层（9）、衬底电极（10）、井区电极（11）、漏极电极（12）和源极电极（13）组成，气体反应层（1）附在连接层（2）上面并与外界相接触，连接层（2）附在氮化硅层（3）上面，井区（8）在衬底层（9）的表面，衬底电极（10）、井区电极（11）、漏极电极（12）和源极电极（13）分别在衬底层（9）与井区（8）的表面，衬底电极（10）在井区（8）外面，源极电极（13）为井区（8）的中心位置，漏极电极（12）在源极电极（13）的两侧且对称，“P+”电极表示正电荷参杂，“N+”表示负电荷参杂，各电极大小相等，距离约为0.5微米，采用0.35微米半导体工艺。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：袁珩，房建成，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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